融合EPON技术的电能信息采集系统建设

国网长沙市供电公司研究人员石彪、缪勇、张飞跃，在2015年第4期《电气技术》杂志上撰文，随着智能电网建设的进一步推进，电网一次侧与通信信息技术的结合越来越紧密。电能信息采集系统作为关联电力用户侧与电能数据应用侧的重要纽带，是高级量测体系建设的重要组成部分。EPON技术已在该领域推广和应用。

本文从电能信息采集系统的设计和建设的角度出发，分析了现有采集系统的架构和特点，介绍了EPON技术在电力通信中的优势，重点提出了几种融合进EPON技术，适应于地市级公司电能信息采集系统改造的方案，并剖析了建设过程中会出现的一些技术问题，以期对现有的采集系统维护和改造工作提供一些参考和借鉴。

随着智能电网技术在现代电网建设多个领域的应用与展开，与用户侧紧密相关的电能信息采集系统也面临着技术和管理方面的革新。智能电网中高级量测体系(AMI)将电能计量工作形成了一种系统化的概念，不仅对传统的电能计量仪表、互感器和二次回路等有更高的要求，而且将更广泛的通信技术、计算机技术及集成电路技术直接植入到电能计量方法中。

按照中国国家电网公司“电网坚强、资产优良、服务优质、业绩优秀”的目标，适时吸收新技术，建设AMI中电能信息采集系统，实现计量装置数据的自动采集与分析处理等功能，是一种必然的趋势[1],[2]。

EPON 技术作为一种基于以太网的无源光网络构成的点到多点的光通信技术，在电信领域的应用中，已经实现了商业化。其高带宽(1.25Gbit/s)、长距离传输( 20km) 、快速服务重组、兼容现有以太网和高可靠性及较强的环境适应性等特点和优势带来了可观的经济效益。目前，光网络在35kV及以上的变电站基本具备了MSTP或SDH架构平台，配网自动化的开关和环网柜等数据传输也开始使用EPON设备，也为EPON技术融合进电能信息采集系统奠定了基础[3]。

本文将从对电能信息采集系统分析出发，提出几种不同的EPON技术电能信息采集应用方案，并以长沙地区台区试点建设为例，阐述融合进EPON技术的电能信息采集系统建设。

1 电能信息采集系统概述

电能信息采集系统一般是指利用计算机技术、通信技术、远动技术、自动化技术等手段，实施电能量信息数据远方采集、远程控制、远方监测、数据分析及高级应用的综合管理信息系统。

作为高级量测体系(AMI)的重要组成部分，建设坚强智能电网进一步要求该系统在电网规划、经营管理和优质服务中全面应用，提供计量异常监测、电能质量监测、用电分析和管理、相关信息发布、分布式能源监控、智能用电设备的信息交互等功能，从最终实现全电网拓扑末梢的“全覆盖、全采集、全费控”[4]。常见的电能信息采集系统结构如图1所示：

图1 电能信息采集系统结构框图

从图上可以看出，采集系统从物理结构上可根据部署位置分为主站、通信信道和采集设备三部分。主站网络的物理结构主要由采集系统服务器，包括数据库服务器、磁盘阵列、应用服务器、前置采集服务器（包括前置服务器、工作站、GPS 时钟、防火墙设备）以及相关的网络设备组成。通信信道是包括指系统主站与终端之间的远程通信信道、采集设备和计量装置的本地通信信道。采集设备是指安装在现场的终端及计量设备，主要包括各类终端、具备远程通信模块的多功能电表、集中器、采集器以及电能表计等。

2 电能信息采集系统现行通信技术

通信信道在电能信息采集系统中是连接主站和采集终端层的纽带，也是体现采集技术方案差别的关键点。按照在采集系统中的位置，将通信信道分为远程通信信道和本地通信信道。

2.1　远程通信信道

电能信息采集系统的远程通信主要包括：GPRS、CDMA、230M无线、3G专网、光纤等，各信道技术有其自身的特点，应用范围和环境也各不相同。

（1）GPRS技术

GPRS是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务，是以封包（Packet）方式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。其优点在于覆盖范围广，组网方便，设备成本低，通信速度快，支持并发通信，接入终端数量大。缺点是有时会出现通道拥堵和通讯不稳定现象，需要运行费用。

（2）CDMA技术

CDMA (CodeDivision Multiple Access) 又称码分多址，是在无线通讯上使用的技术，CDMA允许所有使用者同时使用全部频带(1.2288Mhz)，且把其他使用者发出讯号视为杂讯，完全不必考虑到讯号碰撞 (collision) 问题。其优点在于覆盖范围较广，组网方便，设备成本低，通信速度快，支持并发通信，接入终端数量大,但是有时会出现通道拥堵、通讯不稳定现象，覆盖范围有死角，需要运行费用。

（3）230M无线技术

无线专网是基于国家无线电管理委员会分配的专用频段，由各省市的电力运营商自主架设无线通信网络平台。采集系统目前常用的230M无线频点一共有15对双工（异频收发）和10个半双工（同频收发)。优点在于通信稳定，实时性、稳定性好，无运行费用，但是抗干扰能力差，覆盖范围小，速度慢，所接终端有限，设备成本高。

光纤通信技术

优势在于通信稳定，抗干扰能力强，无运行费用，速度快，流量大,但是光线网络目前主要覆盖变电站，建设成本高，目前主要应用领域在变电站抄表、230M基站。

2.2　本地通信信道

用电信息采集系统中的本地通信指采集器/采集终端和表计之间的通信，包括RS-485通信、RS-232通信、低压载波通信、小功率无线电通信、红外通信等。随着物联网技术的推广，无线传感器网络（WSN）技术如Zigbee，无线HART技术也开始应用到采集系统通信中[5]，如图2所示。但是该技术本身尚未成熟应用，而且对许多工作环境复杂的情况效果不显著。

图2 无线传感器抄表网络模型图

3 EPON技术及优势

为了克服上述通信技术的缺点，光纤专网是一种有效的解决技术。以一次侧电力网分布拓扑为基础，电力光纤通信网按照变电站逐级延伸。这种有源光网络主要依赖设备包括PCM设备，光收发器，光交换机等。

在用电信息采集中，数据的采集直接分布到用户侧，分布范围广泛，节点密集程度差异大，数据流因时间和地点变化幅度大，因此如果沿用传统的有源光网络，不仅会造成建设难度大，建设成本高，而且会带来数据空间浪费，维护困难。EPON技术基于无源光网络，设备包括光线路终端（OLT），用户侧的光网络单元（ONU)和分光设备（ODN）三类。典型的组网结构如图3所示：

图3 EPON典型网络图

在采集系统中引入EPON技术，可以适应采集终端分布的特点，解决GPRS、载波、WSN等技术难以避免的问题，从设备到组网还具有多个方面的优势[6]，主要体现在：

设备简单，组网方便。EPON技术只有三类规范的设备，组网上行信道既可以与传统的远程信道相融合，还可以借助于配网自动化也已建设好的EPON专网。分光器设备可以做到1:8,1:16或者1:32分光，可以组成星形、树形或总线网等拓扑，适应多种场合的需求，且维护中没有机房建设和电源配备成本。

传输频带宽，容量大，可靠性高。EPON基于IEEE802.3ah标准，兼容以太网技术，可提供上下对称高速传输速率，且可使用SNMP协议进行网络管理。设备的使用寿命长，在基本的“手拉手”结构中，ONU设备之间互为备份，可充分满足AMI数据采集的实时性、可控性和可靠性。

配置冗余，适合技术扩展。EPON组网的设备容量，信道带宽及组网方式，在采集系统中都可以提前设计对应的级别冗余，满足未来网络的系统升级，业务扩充和管理。

4　地区EPON采集系统建设

3.1　远程通信专网

图4 基于EPON的光纤专网远程通信网络图

地区建设电能信息采集系统网络重点要考虑已有的光纤骨干网络，继而将EPON技术融合其中。在远程通信中，现有的光纤网络SDH或MSTP平台已经覆盖包括主站系统、变电站和开关站等，因此借助该基础，需要向接入网进一步延伸，将拓展光纤专网至开闭所、环网柜、开关柜和台区变压器等。典型的EPON采集系统远程通信网络结构如图4所示：

其中，开闭所的OLT设备将数据汇聚后使用千兆以太网的格式将数据传输到变电站SDH/MSTP的EoS板的以太网接口。在工程实践中，因设备代别之间的差异造成EoS板的GE接口不够扩充OLT设备使用时，可以使用二次汇聚的方式。即在OLT与SDH/MSTP设备之间增加一个L3层交换机，先将多个OLT的数据汇聚成GE端口，再与EoS的GE端口对接，也便于以后业务扩容。

3.2　本地通信方案

融合EPON的采集系统本地通信方式，需要结合已经建设的前几代技术运行方式，进行分析和检验，既要考虑采集性能，又要在已具规模的系统基础上考虑改造工程的合理性，节约总体成本和维护的能效[7]。一般来说，本地通信的改造方案有如下几种：

（1）方案一：EPON+ 光纤智能表

这种方案从用户侧的ONU/OLT直接通过光纤到用户电表，实现光纤到户的“光纤全过程通信”，将用电信息传输到主站。系统结构如图5所示。这种方案实时性好，可靠性高，但是建设成本高，改造工程复杂。

图5 EPON+ 光纤智能表采集结构图

（2）方案二：EPON+ 集中器/采集终端+ 光纤智能表

这种方案将用户侧的ONU直接通过尾纤延伸到集中器/采集终端的远程通信模块，同时在本地通信中也使用可替代载波通信（PLC）或其他通信的模块，引出塑料光纤连接到光纤电能表。系统结构如图6所示。

图6 EPON+ 集中器/采集终端+ 光纤智能表采集结构图

这种方案可以基于现有的集中器/采集终端，在改造时，可以将户表和关口表上的载波或者RS485通信的模块换成外形与插口相同且兼容的光纤模块，将集中器/采集终端的GPRS等通信模块替换成兼容的尾纤通信模块，实现“尾纤+朔料光纤”的延伸到户，采集通信的实时性和可靠性较高。

（3）方案三：EPON+ 集中器/采集终端+ 混合智能表

这种方案在ONU与集中器/采集终端之间使用光纤通信，在集中器/采集终端与智能电表之间的本地通信保持原有的通信方式不变。系统结构如图7所示。因此工程改造量小，成本低，但是限制了光纤通信在本地通信中的优势发挥。

图7 EPON+ 集中器/采集终端+ 混合智能表采集结构图

（4）方案四：GPRS+ 集中器/采集终端+ 光纤智能表

考虑到部分地区实现光纤到台区或者专变有困难，保持远程通信方式为GPRS不变，改造集中器/采集终端与电表之间为光纤通信，从而避免PLC、RS485等本地通信方式的缺点，但是采集系统在实时性和可靠性方面使采集系统受制于GPRS通信方式。

3.3　长沙地区试点

长沙地区采集系统始建于上世纪90年代，覆盖面遍及城区范围和所辖四县局供电范围，信息采集终端安装覆盖率及负荷控制能力分别达到地区电网用电负荷的100%和20%。发展至今，现有台区10000余个，专变2000多户。由于技术历史沿革等原因，采集系统中远程通信GPRS、230M、光纤通信并存，本地通信PLC、小功率无线、RS485等多种方式并存。

随着采集终端维护工作的深入开展，如何合理改造，提高采集终端投运率、采集成功率等指标一直是计量人员的重大职责。本次改造中选择长沙保利国际、美洲豹等四个台区进行试点，结合实际台区情况，因地制宜分别选择四个方案，选择一个月的测试数据分析，试点测试结果如表1所示。

表1 试点结果

方案	改造工程量	成本	采集实时性	采集可靠性
方案一	大	高	100%	100%
方案二	较大	较高	100%	100%
方案三	较小	较低	99%	99.3%
方案四	小	较低	98.3%	99.1%

5　结论

通过测试，四个方案的应用效果区别较为明显。从智能电网中的AMI系统要求出发，各个地市建立优质和坚强可靠的电能信息采集系统的意义是不言而喻的。在通信技术日新月异的时代背景下，采集系统建设技术方案也面临着多元化的选择。

EPON技术作为其中的一种，其优势在电力与通信网络结合越来越紧密，“光进铜退”的趋势下日益明显。遵照各地区的技术基础、民居结构和经济水平，采用合适的方案，将EPON技术融合进采集系统改造和建设中，可以进一步提高采集成功率，台区线损合格率及采集系统的实时性和可靠性，也可作为推广智能小区“四网融合”的有力借鉴。